核心素養視角的整合與進階教學例析*
——以“電容器的電容”為例

陳偉孟

(中國人民大學附屬中學 北京 100080)

張玉峰

(北京教育科學研究院 北京 100036)

學習進階強調學生對某一主題的概念學習需要分階段進行，每一階段對該概念的學習都是在前一階段的基礎上進行加深或延展，先學的知識成為后續學習知識的基礎．“階”的確定不只是基于知識的邏輯結構，而是由學習者和知識主客體共同決定的．依據進階理論進行教學設計，讓學生所學知識之間的內在聯系更加緊密且層級結構清晰，有利于教師根據學生的實際水平設計符合學生思維發展的教學過程．同時，為了學生從整體上對物理知識體系的把握，教師在教學設計時，應將知識進行整合優化，讓學生從整體上認識物理學科體系．教學整合和進階能有效促進學生核心素養與關鍵能力的發展，提高課堂教學的有效性．

在此，對以整合和進階為主線促進核心素養發展的“電容器的電容”進行例析．

1 教學要求與教學目標

1.1 課程標準的教學要求

教育部《普通高中物理課程標準》(2017年版)對電容器的電容的要求是：“觀察常見電容器，了解電容器的電容，觀察電容器的充、放電現象．能舉例說明電容器的應用．”并給出相應例題：“查閱資料，了解電容器在照相機閃光燈電路中的作用．”給出的活動建議：“通過觀察、查閱資料等方式，了解并分析電容器應用的實例，撰寫研究報告．”

1.2 教學目標

(1)知道電容器充放電的本質，了解電荷量和能量的轉化，有助于能量觀念的形成；

(2)理解電容的概念及定義式；

(3)通過學生對實驗的觀察和研究，培養學生的科學探究能力和抽象思維能力；

(4)知道平行板電容器電容的決定式，通過科學探究加強認識，促進科學思維的生成；

(5)了解常見電容器，理解科學·技術·社會·環境的關系，強化科學態度與責任．

1.3 教學重點

(1)電容的定義式；

(2)探究分析電容器充、放電的過程和本質；

(3)平行板電容器電容的決定式．

1.4 教學難點

(1)電容器充放電過程的分析和能量轉化；

(2)電容的定義及其物理意義．

1.5 電容在靜電場單元的進階路徑

電容在靜電場單元的進階路徑如圖1所示.

圖1 電容器的電容進階路徑

2 學生情況分析

2.1 學生已有的經驗概念和方法

(1)生活經驗

電容器雖然在日常電器中應用廣泛，但是學生缺乏直接感受．通過書本的預習后，還需要結合實驗來強化認識．

(2)概念儲備

1)電荷量、電勢差等概念；

2)學生初中學過一些基本的電路性質．

(3)物理方法

1)通過場強、電勢等概念的學習，知道比值定義的物理方法；

2)通過庫侖定律一節的學習，了解了物理量減半研究的方法，以及蘊含的對稱和守恒的思想．

2.2 學生認識的階段

(1)預習達成的認識

1)了解了電容器的構成，知道了一些生活中的電容器；

2)定性了解了電容器的充放電過程；

3)知道了電容的定義式和平行板電容器的決定式．

(2)需要解決的問題

1)對電容器的認識還是間接的，沒有直觀認識和感知；

2)對電容器的充放電過程還沒有準確的認識，需要實驗來增強認識；

3)對電容的比值定義需要實驗來加深印象；

4)對平行板電容器的決定式需要更為直觀的實驗的結合來強化認識．

2.3 學習困難產生的原因

(1)電容器屬于生活中常用但是不“常見”的儀器，學生很少能將電容器從電器中孤立出來，了解其性質；

(2)電容定義，屬于比值定義物理方法在新情境中的運用．

2.4 學生建構電容概念的過程

學生建構的電容概念的過程如圖2所示.

圖2 電容概念的建構過程

3 教學過程

3.1 環節一：電容器

活動設計：

簡要演示電容器的功能和結構：一個簡易直觀的電容器功能的呈現——充電后的電容器讓掛鐘走動，或者讓小燈泡發亮等，如圖3(a)、(b)所示；內部結構的拆分——拆解紙質電容器，分析了解其內部結構，并進行生活中常用電容器的舉例，如圖4(a)、(b)所示．

圖3 電容器的功能演示

圖4 電容器展示和實物拆解

設計意圖：通過真實情境和真實物體，學生對電容器充、放電具有直觀體會，發展學習和探究興趣，鞏固了解電容器的功能和結構．學生也通過放電時長感知不同的電容器容納電荷和電能的本領不一樣的特點．

3.2 環節二：電容器的充電和放電過程

活動設計：

(1)分析預習內容，對充放電現象進行物理分析，解決學生的問題.

1)充、放電過程有沒有電流？

2)充、放電過程中電荷是怎樣移動的？

3)充、放電過程中兩極間電壓是如何變化的？

4)為什么電容器的帶電荷量是一個板所帶電荷量的絕對值？

根據示意圖(圖5)分析討論：把一個極板所帶電荷量的絕對值叫電容器的所帶電荷量Q．這樣的規定并非權宜之計，而是電源將電荷真正從一個極板移動到另一極板的就是Q．

圖5 電容充、放電的示意圖

(2)按圖分析和連接電路，引導學生在實驗前先預測現象．

(3)用傳感器記錄實驗現象，與預測進行比較，分析原因．

實驗所得圖像如圖6和圖7所示.

圖6 充、放電過程中電流的變化

圖7 充、放電過程中i和u的變化

(4)就充、放電圖像進行分析和提升，深化對電容器充電、放電過程的認識和理解．

設計意圖：基于學生預習的內容，對充放電現象的物理分析，解決學生的問題，同時遷移類比，拓展圖像面積的物理意義，可提如下問題：

(1)充、放電過程有沒有電流？有瞬時電流．

(2)充、放電過程中電荷是怎樣移動的？有助于物質觀念的形成．

(3)充、放電過程中兩極間電壓是如何變化的？鼓勵猜想、質疑和探究．

3.3 環節三：電容概念和模型的建構

活動設計1：

創設任務，通過閱讀教材上關于電荷量平分內容(圖8)，引導學生探討如何定量研究電壓和電量間的關系.

方案：將相同的帶電的電容器與不帶電電容器兩極分別接觸多次，電荷量逐級減半．通過電壓表測量電容器兩極間電壓．做出電荷量與電壓的關系圖像，分析圖像發現二者的正比關系．

圖8 教科書中關于平分電荷的對稱和守恒思想

要求學生設計實驗，獲得電荷量和電壓的相關數據，并探究它們的關系．

連接實驗電路，學生觀察實驗現象并做數據記錄如表1所示.

表1 探究電荷量與電壓關系數據記錄表

得出電荷量與電勢差的關系并與v-t關系類比，如圖9所示.

圖9 描繪U與Q的關系圖像，適時類比拓展

設計意圖：通過分組實驗，讓學生對電容器的電容概念，由感性認識達到理性認識．讓學生經歷假設猜想、實驗設計、數據收集、得出結論的一系列活動，提升學生分析解決問題的能力，同時認識物理概念建立的一般過程，了解研究物理問題的一般方法．增加切身體驗，體會物理思想的傳承與創新．鋪設思維臺階，通過類比思維和功能關系，學習和分析電容器的能量問題；關注能量觀念的形成．

活動設計2：

圖10 充、放電過程中i-t圖的面積

知識整合：此處I-t圖像和U-Q面積是否有物理意義？通過與速度-時間圖像、彈簧彈力-伸長量圖像進行類比遷移，引導學生主動思考圖像及其面積的物理意義，實現知識整合和學習能力提升，形成對電荷量和電勢能概念的深入理解，不斷深化物理觀念和能量觀念．

3.4 環節四：平行板電容的科學探究

活動設計：

電容器的電容與極板間的電壓、極板所帶的電荷量無關，那與什么因素有關呢？按圖連接電路，提示學生注意觀察實驗現象．

設計意圖：明確電容器的電容與Q和U無關后，討論影響電容的相關因素時，讓學生進行猜想，以平行板電容器為例，關注兩極板間距、正對面積、介質材料與電容大小可能存在的關系．

在探究影響平行板電容的因素時，教科書采用了如圖11所示的實驗裝置，通過調節正對面積、兩極板間距或板間電介質等，觀察靜電計張角的變化，進一步推導出電容的變化規律．這個實驗優點是讓學生清晰地看到當極板正對面積、極板間距、極板間電介質發生變化時，兩極板間電勢差的變化情況．然而，這種通過電勢差間接推導的變化關系不直觀，難以讓學生形成深刻的印象，可作為拓展內容學習．

圖11 影響平行板電容器電容大小的因素演示

圖12 常用電介質的介電常數

圖13 檢測平行板電容器的介電常數

圖14 數字式多用電表演示和檢測平行板電容的影響因素

3.5 環節五：電容器的應用

活動設計：

微視頻播放我國在超級電容器研發和應用方面的相關視頻(圖15)，拓展超級電容器的相關知識．通過了解電容器的廣泛應用，學生增強了將物理知識應用于生產和生活的意識，青年一代感受對技術進步的責任感，培養學生的科學態度與社會責任感，進一步凸顯物理課程和物理課堂的育人功能．

圖15 電容電車

設計意圖：深化理解概念基礎上，進一步促進電容能量觀念的形成，同時通過常規課堂融合學科教學立德樹人目標，強化科學態度與責任．

4 拓展作業設計

例：探究性任務作業．如圖16所示，電腦主板板材是較為理想的平行板電容器研究對象，利用數字式多用電表(能夠測量電容)、直尺、數顯游標卡尺或螺旋測微器(能測量厚度)來測量該板材參數，如圖17所示，計算板材電介質的介電常數．同時，搜索查詢相關信息，將測量結果和與該材料標準值對比，并分析誤差原因．

圖16 電腦主板板材

圖17 測量板材參數

設計意圖：設置有梯度的作業，滿足學生多樣化的學習需求，實現評價、鞏固和拓展并舉．充分利用教材，鞏固和提升知識；注重新學知識的應用，理論聯系實際，把學習延伸到課外，培養科學精神；利用具體實驗分析實驗誤差(如厚度測量等)，理解平行板電容器理想模型建構的條件．數顯游標卡尺或螺旋測微器原理也是電容知識的具體應用，為后面電容的拓展和常規游標卡尺、螺旋測微器的使用做好鋪墊．